Einflussfaktoren kennen und simulieren LED-Module thermisch auslegen

Sicherstellende Wärmeabfuhr mit einer passenden LED und Simulationssoftware.

In LED-Leuchten muss eine korrekte Wärmeableitung gewährleistet sein. Dafür muss der Systementwickler die verschiedenen Mechanismen der Wärmeleitung und die relevanten Einflussfaktoren kennen. Die konkreten Auswirkungen lassen sich mit einer Simulationssoftware berechnen.

Aufgrund ihres technischen Aufbaus sind LED prinzipiell langlebiger und widerstandsfähiger als viele andere Leuchtmittel. Einige der kommerziell verfügbaren Modelle erreichen 50.000 Stunden Betriebszeit ohne Leuchtkraftverlust. Entsprechend sind LED die erste Wahl für Einsatzgebiete, bei denen es auf Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ankommt (Bild 1). Je nach Aufbau und Materialwahl reicht das Spektrum von besonders robusten LED für Premium-Leuchtsysteme bis hin zu besonders kostengünstigen Varianten für preisbewusste Kunden.

Unabhängig davon ist das thermische Design eines LED-Moduls bzw. einer LED-Leuchte bei allen LED-Varianten ein maßgeblicher Faktor mit unmittelbarem Einfluss auf die Lebensdauer. Zwei Kriterien sind dabei wesentlich: Die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur der LED und die dauerhafte Betriebstemperatur.

Das Überschreiten der spezifizierten maximalen Sperrschichttemperatur beschleunigt die Alterung des Materials und kann Spontanausfälle auslösen. Niedrige Betriebstemperaturen führen zu einer längeren Lebensdauer, während höhere Betriebstemperaturen das Gegenteil bewirken. Zudem kann das Beibehalten der richtigen LED-Temperatur nicht nur ihre Lebensdauer verlängern, sondern zu einem höheren Lichtstrom der LED führen. Damit kann ein Design gegebenenfalls mit einer geringeren Anzahl von LED umgesetzt werden.

Drei Möglichkeiten für den Wärmetransfer

Das lichtemittierende Element jeder LED ist die Sperrschicht (aktive Zone, PN Junction). Sie befindet sich innerhalb des LED-Chips und ist von weiteren Materialien umgeben, die als Träger fungieren. Der Aufbau einer LED mit Optik ist in Bild 2 gezeigt.

In der aktiven Zone soll die Temperatur so niedrig wie möglich gehalten werden (hoher thermischer Wirkungsgrad). Dafür muss die hier umgesetzte Verlustleistung abgeführt werden. Bei diesem Wärmetransport erhöht jeder Wärmewiderstand die Temperatur in der aktiven Zone.

Zur mechanischen Fixierung und elektrischen Kontaktierung ist es notwendig, die LED auf Leiterplatten zu bestücken. Da die LED für sich keine ausreichenden Wärmeabfuhrmöglichkeiten bieten, dient die Leiterplatte als „Kühlkörper“ zur weiteren Wärmeverteilung.

Prinzipiell gibt es drei Möglichkeiten für den Wärmetransfer, die im Folgenden näher behandelt werden: Wärmeleitung (auch Leitungstransport genannt), Konvektion und Strahlung.

1. Wärmeleitung

Die Wärmeleitung ist ein Mechanismus für den Transport thermischer Energie ohne makroskopischen Materialfluss. Der Austausch bzw. Transport von Wärme findet zwischen benachbarten Teilchen statt.

Der Grad der Leitfähigkeit definiert sich aus der Eigenschaft eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases, thermische Energie zu transportieren. Es geht also, etwas vereinfacht gesagt, um die Wärmeübertragung eines Materials, wenn es im direkten Kontakt zu einem anderen Material steht. Diese kann mit dem Fourierschen Gesetz (Formel 1) berechnet werden.

q equals negative k times A times left parenthesis increment T divided by s right parenthesis space space space space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis

q ist die per Übertragung übermittelte Wärme in Watt, k die Wärmeleitfähigkeit (W/(m∙K)) und A ist die Querschnittsfläche in Quadratmetern des Materials, durch das die Wärme fließt. ΔT ist der Temperaturunterschied innerhalb des Materials (°C oder K) und s die Materialstärke in Metern.

Die thermische Leitfähigkeit von Metallen beträgt typischerweise zwischen 10 und 400 W/(m∙K) (Watt pro Meter und Kelvin).

Halbleiter weisen in der Regel eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, siehe dazu auch Tabelle 1. Im Vergleich dazu leiten organische Feststoffe, wie etwa Kunststoff oder Leiterplatten, Wärme mit etwa 0,2 W/(m∙K). Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen beträgt etwa ein Zehntel davon. Luft hat einen Wärmeleitwert von 0,026 W/(m∙K). Bei der LED Konstruktion wird dies umgesetzt, indem beispielsweise hochleitfähige Metalle oder leitfähige Keramiken als Leadframe bzw. Gehäuse eingesetzt werden.